毛果杨全基因组铵转运蛋白家族成员及其序列分析

【目的】探讨毛果杨(Populus trichocarpa)全基因组中铵转运蛋白(AMTs)家族成员的系统发育及部分成员的理化性质、结构和亚细胞定位。【方法】以从毛果杨全基因组数据库中搜索并筛选得到的目标蛋白序列为基础,应用软件CLUSTALX 2.0、GeneDOC和MEGA4,对AMTs家族成员的系统发育进行了分析,并重点分析了AMT1亚家族成员PtrAMT1-1、PtrAMT1-6和AMT2亚家族成员PtrAMT2-1、PtrAMT4-5的保守基序、理化参数、亲/疏水性、跨膜域、三级结构及亚细胞定位。【结果】在毛果杨基因组数据库中发现了19个AMTs,8个属于AMT1亚家族,11个属于AMT2亚家族;AMT1和AMT2亚家族内的蛋白序列保守性强,而亚家族之间的差异较大;AMT1与AMT2间的共同基序较少;AMTs是一类位于膜上运输NH4+的蛋白家族,有10~11个跨膜域,亚家族内蛋白三维结构相似,不同AMTs成员的亚细胞定位不同。【结论】在毛果杨中,AMT1与AMT2亚家族分开较早,各AMTs在杨树氮素代谢中起着不同的作用,共同维持并调控着杨树体内的氮素平衡。     

杨树KT、HAK、KUP基因家族鉴定及钾肥处理对杨树生长的影响

KT、HAK、KUP基因家族是植物进行K⁺转运的最大蛋白系统。以毛果杨(Populus trichocarpa Torr.&Gray)全基因组数据为基础,利用生物信息学方法对杨树KT、HAK、KUP家族进行了全基因组鉴定,并在毛果杨全基因组中鉴定出20个KT、HAK、KUP家族成员。理化性质预测分析表明：KT、HAK、KUP基因家族成员均为疏水性蛋白,等电点在5.30～9.16;亚细胞定位预测显示家族成员蛋白集中在细胞质膜上。应用拟南芥和杨树构建系统进化树显示,KT、HAK、KUP基因家族可分为5个亚家族。基因结构及基序(motif)分析表明,KT、HAK、KUP基因进化过程相对保守。顺式作用元件分析表明,KT、HAK、KUP基因家族成员含有诸多与激素、逆境胁迫的响应元件。杨树不同钾离子浓度处理下,植株的净生长情况呈现了显著的差异,说明钾元素对杨树生长影响较大。     

毛果杨ZHD家族全基因组水平鉴定及在干旱胁迫下的表达分析

  目的  对毛果杨Populus trichocarpa ZHD (PtrZHD)家族进行生物信息学以及干旱胁迫下表达特性分析,为研究PtrZHD在干旱胁迫中的功能提供参考。  方法  利用生物信息学方法从全基因组水平鉴定出毛果杨ZHD家族全部成员,并对其进化、理化性质、基因结构、保守基序、启动子顺式作用元件和表达特性进行分析。  结果  毛果杨ZHD家族包括21个成员,可分为7个亚家族;有8对同源基因,且非同义替换率(K_a)/同义替换率(K_s)值远小于1。该家族成员理化性质存在差异,但其结构较为保守,均含有Motif 1;启动子区含有数量不等的激素和非生物胁迫响应元件,不同基因之间响应元件的种类存在差异。在毛果杨PtrZHDs中,分别有1、7和13个基因在根、茎和叶组织中具有偏好性表达特征;PtrZHD家族成员对干旱胁迫的响应具有组织和时间表达特异性,在根、茎和叶部组织中各成员的表达量不同,但随着干旱胁迫时间的增加均呈先上升后下降的趋势。  结论  PtrZHD家族基因对干旱胁迫有不同程度的响应,可调控毛果杨对干旱胁迫的应答。图6表2参27     

毛果杨CBF/DREB1基因家族生物信息学分析

【目的】为了对毛果杨CBF基因家族进行系统分析,利用毛果杨基因组数据库,通过生物信息学的方法,鉴定毛果杨CBF基因家族的染色体定位、编码蛋白和磷酸化位点预测。【方法】通过序列比对进行进化和分类分析。【结果】毛果杨含有6个CBF基因,均不含内显子,分布于毛果杨的5条染色体上。【结论】MEME保守基序分析显示,杨树CBF蛋白均含有2个保守的基序,他们共同构成AP2结构域。磷酸化位点预测分析表明毛果杨CBF蛋白均含有大量的磷酸化位点。以上结果将为今后揭示毛果杨CBF蛋白的功能提供重要的线索。     

毛果杨全基因组磷酸根转运蛋白家族成员序列分析

磷酸根转运蛋白是一类主动转运磷酸根的重要载体蛋白.主要探讨毛果杨Populus trichocarpa全基因组中磷酸根转运蛋白(phosphate transporter)家族成员的系统发生和部分成员的理化性质、结构特点及亚细胞定位.以从毛果杨全基因组数据库中搜索并筛选得到的目标蛋白序列为基础,利用相关生物信息学软件对其进行系统发育分析,并利用一系列在线服务器对部分成员的理化参数、亲/疏水性、跨膜域、二级结构、三级结构和亚细胞定位进行了重点分析.结果表明,在毛果杨全基因组中共发现了31个磷酸根转运蛋白家族成员,根据其序列相似性,可分为4个亚家族,即PtrPHT1,PtrPHT2,PtrPHO1和PtrPHO2;PHT亚家族内的序列相似性高于PHO,并且高度保守;它们均为疏水性的全α型蛋白质,PHTs一般具有12个跨膜域,多于PHOs;不同亚家族成员的亚细胞定位不尽相同.因此,毛果杨磷酸根转运蛋白不同亚家族间分开较早,它们在杨树磷素代谢中可能起着不同的作用,共同维持并调控杨树体内的磷素平衡.     

毛果杨Eukaryotic translation initiation factor 5A（eIF5A） 同源基因的生物信息学分析

为研究毛果杨eIF5A基因间的同源性及其进化关系,以毛果杨的eIF5A基因为研究对象,利用生物信息学软件及网站对其进行碱基分布、氨基酸组成、亲疏水性、保守区以及二级结构和三级结构的预测与分析,并与其他物种的eIF5A氨基酸序列进行多重比对与进化分析。结果表明,4个毛果杨eIF5A基因定位于不同染色体上,且都只含有5个外显子;研究还发现不同成员间氨基酸数目、氨基酸序列间的疏水性存在一定的差异;亚细胞定位分析表明,4个eIF5A蛋白均定位于细胞质上;二级结构预测结果显示,4个eIF5A氨基酸序列以无规则卷曲、扩展链和α-螺旋为主要组成部分,且4条氨基酸序列三维结构十分相似。上述结果均为毛果杨eIF5A基因家族的进一步功能分析提供了一定基础。     

毛果杨基因PtNRT2.7的功能初步鉴定与分析

本研究从毛果杨基因组中克隆一个NRT2家族的新基因PtNRT2.7。生物信息学分析显示,其编码的蛋白不存在信号肽及切割位点,属于非分泌蛋白;具有11个跨膜结构域,亲水区与输水区交替分布,主要分布于细胞膜,而且该基因的亚细胞定位分析显示该蛋白定位于细胞膜,综合以上结果可判断此蛋白为膜蛋白。对其在毛果杨的表达特征分析显示,PtNRT2.7基因主要在叶片中表达,其中成熟叶中的表达量最高;PtNRT2.7基因受硝酸盐诱导并在1 h时达到表达峰值;SA、JA、GA或IAA激素处理可诱导PtNRT2.7基因表达,而在Eth、ABA或NaCl处理下该基因的表达受抑制。利用农杆菌花序侵染法转化野生型拟南芥和突变体(nrt2.7),显示在KNO3浓度大于0.1 mmol/L时,PtNRT2.7过表达株系相比较拟南芥野生型和突变体株系促进了根的生长,而atnrt2.7突变体在KNO3浓度大于1 mmol/L的条件下抑制了根的生长,且PtNRT2.7过表达atnrt2.7突变体株系可恢复正常生长。研究结果表明,PtNRT2.7可以由硝酸盐和激素诱导并增强植物根系的生长,提高氮素的吸收利用。      

毛果杨HDAC基因家族序列及其表达分析

【目的】研究毛果杨组蛋白去乙酰化酶（HDAC）基因家族序列及其对脱落酸（ABA）的应答反应,为HDAC家族基因的功能研究奠定基础。【方法】采用生物信息学方法对毛果杨HDAC家族的16种蛋白进行系统分析;采用实时荧光定量 PCR方法,分析了100 μmol/L ABA叶面喷洒处理后6和24 h毛果杨叶片HDAC家族16个基因的表达情况。【结果】HDAC家族蛋白分析显示,毛果杨HDAC可分为3个亚家族,即RPD3/HDA1、HD2和SIR2亚家族,与拟南芥HDAC蛋白的亲缘关系较近。HDAC家族大多数成员为亲水性蛋白质（HDA912属于疏水性蛋白）,其等电点呈酸性（除了HDA912和SIR2亚家族）。HDAC家族蛋白受磷酸化调节,磷酸化位点主要发生在丝氨酸残基上。绝大部分HDAC蛋白都有不同数目的跨膜螺旋和不同的跨膜方向,而在HD2蛋白中没有发现跨膜区。二级结构分析显示,RPD3/HDA1和SIR2亚家族成员均含有不同比例的α-螺旋、β-折叠片和无规则卷曲,其中无规则卷曲比例达到50%以上（HDA912除外）;而HD2亚家族成员不含有α-螺旋,其二级结构主要以无规则卷曲为主,比例高达80%左右。HDAC家族蛋白主要定位于细胞核内,在细胞质、细胞器及其他膜结构中也有分布,HD2蛋白几乎都定位于细胞核内。RPD3/HDA1和SIR2亚家族成员的三级结构可分为6种类型,预示其生物学功能也可能存在差异。实时荧光定量 PCR分析结果表明,ABA处理6 h显著提高了毛果杨-HDA901、HDA903和HDT-901基因的表达,而ABA处理24 h则会显著降低-HDA907和HDT-901基因的表达。【结论】作为植物特有的一类组蛋白去乙酰化酶,毛果杨HD2亚家族蛋白在序列和结构等多个方面与其他2个亚家族不同。ABA能够调节杨树HDAC家族基因的表达,HDAC家族基因不同成员对ABA的应答反应不同。     

植物NRT2家族的分子进化

为了研究硝酸盐转运子NRT2家族在植物中的进化关系,综合利用共线性信息和序列相似性信息,从8种已经进行过全基因组测序的物种(大白菜、大豆、杨树、葡萄、玉米、水稻、高粱、二穗短柄草)中,搜索拟南芥NRT2的同源基因。通过分析发现,这些基因序列基本都具有MFS超家族的NNP家族基因的典型特征。但单、双子叶植物之间,NRT2的基因结构存在着较大的差异。系统发育重建结果表明,NRT2基因家族的成员主要是在单、双子叶植物分歧后进化产生的;同时,不同植物的NRT2基因又具有不同的进化模式。大白菜NRT2家族经历了基因组三倍化事件及基因片段丢失。因此,拟南芥和大白菜的NRT2家族有较为密切的进化关系,进化分析为利用已有的拟南芥NRT2研究结果进一步在大白菜中开展NRT2的功能研究提供了参考线索。     

辣椒HD-Zip基因家族鉴定、系统进化及表达分析

【目的】鉴定辣椒HD-Zip基因家族,并利用生物信息学方法系统分析其在基因组中的分布、基因结构、进化分化特征及在不同组织中的时空表达特异性,解析该家族的进化特征及生物学功能。【方法】根据已报道及PlantTFDB数据库中的拟南芥HD-Zip序列,利用本地BLAST工具在我国辣椒测序品种‘遵辣1号’基因组中比对,并利用Pfam、SMART工具进一步验证。采用EMBOSS Programs、MEGA、GSDS、MEME、MCScanX、OrthoMCL、Circos等软件预测辣椒HD-Zip基因家族成员蛋白理化性质,构建系统进化树,定位染色体,分析基因结构、基因复制类型及直系、旁系同源基因。基于GEO数据库,运用R软件、本地perl语言及Cytoscape分析辣椒HD-Zip组织表达差异并绘制共表达网络。【结果】本研究在‘遵辣1号’基因组中鉴定获得42条辣椒HD-Zip,命名为CaHDZ01—CaHDZ42。CaHDZs长度跨度较大,70% CaHDZ蛋白的pI小于7.0。除CaHDZ42,其余基因不均匀地分布在12条染色体上,部分基因为片段复制。该基因家族可分为4个亚族,分别含有18、9、5、10个HD-Zip,基因结构及蛋白结构域差别显著。辣椒、番茄和拟南芥3个物种中的直系同源基因对数目大体相同,但同为茄科的辣椒和番茄之间的稍多;辣椒中的旁系同源基因少于番茄和拟南芥,说明辣椒基因组的倍增事件并没有使CaHDZs明显扩增。对无油樟、水稻、玉米、番茄、马铃薯、辣椒‘CM334’、辣椒‘Zunla-1’、毛果杨、葡萄以及拟南芥9个代表物种的HD-Zip进化特征分析结果表明,从被子植物开始,HD-Zip基因家族就稳定存在4个亚族。推测在形成4个亚族前,HD-Zip分为两组,其中一组分化成I和II亚族,而另一组则分化成为III和IV亚族。CaHDZs在根、茎、叶、花芽、花和果实不同发育时期的表达模式分析结果显示,4个亚族具有不同程度的表达趋势。其中I亚族基因在辣椒不同组织中的表达量均较高,且不同成员间表达模式不同,CaHDZ22在茎中的表达最高,表明该基因可能对辣椒茎的生长有重要作用。II、III和IV亚族基因在不同组织中的表达量相对较低,但部分基因在特定组织中具有较大的表达量。如CaHDZ34在辣椒果实成熟后期具有较大高的表达量,CaHDZ02和CaHDZ28在果实膨大时表达较高,CaHDZ04在果实成熟前期具有较高的表达量。CaHDZs表达网络中有33对基因表达趋势的相关系数（PCC）大于0.8,6对大于0.9,表明CaHDZs协同调控了辣椒的生长发育,不同亚族之间也具有协同性。【结论】在‘遵辣1号’基因组中鉴定获得42条CaHDZs,可分为4个亚族,不同亚族的基因结构、蛋白保守结构域及表达模式不同。在进化过程中,辣椒HD-Zip保守性高,数目没有明显扩增,I和II亚族、III和IV亚族关系更近。CaHDZs具有组织表达差异性,协同调控了辣椒的生长发育。     

早熟陆地棉基于性状主成分和SSR分子标记的遗传距离分析

[目的]为早熟陆地棉杂交亲本选配提供参考.[方法]将12个品种初步划分成两组亲本,对基于表现型和基因型差异的遗传距离进行分析.[结果]对17个性状进行主成分分析结果表明,前5个特征根和相应的特征向量累积贡献率达86.443;,可以反应所有性状的绝大部分变异信息.用5个主成分因子得分计算两组亲本间的遗传距离,发现P1.1与P2.5,P1.4与P2.3、P2.5,P1.5与P2.2、P2.4的遗传距离最远;P1.1、P1.2与P2.1、P2.6,P1.6与P2.6的遗传距离最近.用SSR扩增结果计算两组亲本间的遗传距离,发现P1.1与P2.1、P2.2、P1.2与P2.1、P2.2,P1.3与P2.4的遗传距离最远;P1.1与P2.3、P2.6、P1.2、P1.6与P2.6,P1.6与P2.1的遗传距离最近.这两组遗传距离之间无显著相关性(R=0.115).[结论]早熟陆地棉基于主要性状主成分和SSR分子标记结果的遗传距离差异较大,建议在选配亲本时同时考虑亲本间的表现型和基因型差异.     

Physiological and Molecular Response of Wheat Roots to Nitrate Supply in Seedling Stage

The objective of this study was to understand the morphological, physiological, and molecular responses of wheat roots to nitrate supply at seedling stage. Two wheat genotypes, Jimai 22 and Shannong 15, were grown in Hoagland's nutrient solution with different nitrate levels at seedling stage. Results indicated that the plant dry weight and N accumulation increased with the increase of nitrate supply. The number of axial root, total uptake area (TUA), and active uptake area (AUA) increased with more nitrate supply. Correlation analysis indicated that significant positive correlations existed between N accumulation and dry weight, N accumulation and AUA, and N accumulation and AUA/TUA. Although, the expressions ofNRT2.1, NRT2.2, and NRT2.3 decreased with nitrate supply increased, the expressions of NRTI, NRT2.1,and NRT2.3 could maintain high level at N3 treatment. The free amino acid and NO3- content in shoot also increased with the increased nitrate application, but no significant difference was found in root among the treatments. These results implied that the increase of N uptake by nitrate supply was due to the morphological and physiological responses of wheat roots and the high expression level of TaNRT genes. Similarly, the contribution of morphological, physiological,and molecular parameters was different between two genotypes of wheat.     

荞麦ARF基因家族的鉴定及生物信息学分析

生长素响应因子(auxin response factor, ARF)基因应答了生长素信号,在植物生长发育中具有重要的调控作用。以荞麦基因组数据库为基础,利用BlastP比对程序共鉴定了21个荞麦ARF基因,并对其基因结构、编码蛋白理化性质、保守结构域、保守基序、亚细胞定位、潜在磷酸化位点及系统进化关系进行了分析。基因结构分析表明,21个荞麦ARF基因均含有内含子,且不同基因间内含子数目存在较大差异。保守结构域分析显示,21个ARF蛋白均含有保守的B3和ARF结构域,部分ARF蛋白还含有Aux/IAA结构域。蛋白保守基序分析表明,21个ARF蛋白共有10个保守基序,基序长度在13~55个氨基酸之间。亚细胞定位分析表明,大多数ARF蛋白定位于细胞核,个别定位于叶绿体。潜在磷酸化位点分析显示,所有ARF蛋白均含有潜在的丝氨酸(Ser)、苏氨酸(Thr)和酪氨酸(Tyr)磷酸化位点,但各蛋白的不同磷酸化位点的数目差异较大。系统进化分析表明,21个ARF基因可以分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个亚家族,其中,Ⅰ亚家族可以进一步分为Ⅰa和Ⅰb两个家族,Ⅱ亚家族可以进一步分为Ⅱa和Ⅱb两个家族。研究结果为进一步克隆荞麦ARF基因及深入研究它们在荞麦中的功能提供了参考。     

小麦根高亲和NO_3~-转运体全长基因(TaNRT2.1)的克隆和鉴定

 在前期获得的 pTaAF 的工作基础上,采用 RACE 方法进一步克隆和鉴定了小麦根 NO3 转运体全长基因-(TaNRT2.1)。将TaNRT2.1和已知的硝态氮转运体基因家族进行同源性比较,指出TaNRT2.1属于HATS中的NRT2家族。Southern　印迹揭示小麦基因组中有1个TaNRT2.1拷贝。Northern　分析示出硝态氮可瞬时诱导TaNRT2.1　mRNA积累,NO 处理 1 h　TaNRT2.1　mRNA很快增加,4　h 达到最大,24　h恢复至诱导前水平,具根专一表达特点。 - 3     

Identification and Bioinformatics Analysis of SnRK2 and CIPK Family Genes in Sorghum

Through bioinformatic data mining, 10 SnRK2 and 31 CIPK genes were identified from sorghum genome. They are unevenly distributed in the sorghum chromosomes. Most SnRK2 genes have 8 introns, while the CIPK genes have a few （no intron or less than 3 introns） or more than I0 introns. Phylogenetic analysis revealed that SnRK2 genes belong to one cluster and CIPK genes form the other independent cluster. The sorghum SnRK2s are subgrouped into three parts, and CIPK into five parts. More than half SnRK2 and CIPK genes present in homologous pairs, suggesting gene duplication may be due to the amplification of SnRK family genes. The kinase domains of SnRK2 family are highly conserved with 88.40% identity, but those of the CIPK family are less conserved with 63.72% identity. And the identity of sorghum CBLinteracting NAF domains of CIPKs is 61.66%. What＇s more, regarding to the sorghum SnRK2 and CIPK kinases, they are characterized with distinct motifs and their subcellular localization is not necessarily the same, which suggests they may be divergent in functions. Due to less conserved sequences, complex subcellular localization, and more family members, sorghum CIPK genes may play more flexible and multiple biological functions. According to the phylogenetic analysis of SnRK genes and SnRK functional studies in other plants, it is speculated that sorghum SnRK2 and CIPK genes may play important roles in stress response, growth and development.     

硝酸盐高亲和水稻品种的筛选与硝酸盐高亲和基因表达分析

对19份不同基因型水稻进行苗期不同硝酸盐水平下的生长率、苗高分布及离子吸收值的测定,初步筛选出硝酸盐高亲和性水稻品种,并对其基因的表达进行了分析.筛选结果:Nipponbare为双氮高效型、Tongyi为低氮高效型、IR8和陆稻农林21为高氮高效型典型性品种,并发现OsNTR2.4和 OsNAR2.1基因表达在0.5 h时最弱,3 h时最强; OsNTR2.1, OsNTR 2.2随着诱导时间的延长而表达增强.Nipponbare与Tongyi在OsNRT2.1表达上存在差异,与Tongyi 相比,Nipponbare的 OsNRT2.1表达所需诱导时间短,并在3 h时表达最强.     

核桃抗逆基因JrGSTU23的克隆及表达分析

谷胱甘肽转移酶GST基因在植物逆境响应中具有重要作用。核桃Juglans regia是重要的经济林木,其生长和产量受环境因子的影响。为探索核桃抗逆生理机制,筛选抗逆基因,以品种‘香玲’‘Xiangling’为试材,克隆获得核桃JrGSTU23基因,并进行生物信息学和基因表达分析,预测JrGSTU23的基本生物功能。结果显示:JrGSTU23基因的开放阅读框（ORF）为684 bp,编码多肽为25.89 kDa,包含氨基酸227,理论等电点为5.20。与碧桃Prunus persica,毛果杨Populus trichocarpa等同源蛋白进行多序列比对,发现均有GST-Tau保守结构域,且与香蕉Musa acuminata和毛果杨等的Tau家族GST蛋白具有较近的进化关系;其上游2 000 bp启动子中含有多种与逆境响应相关的顺式作用元件。实时荧光定量聚合酶链式反应（qRT-PCR）发现,JrGSTU23在植物激素脱落酸（ABA）,茉莉酸（MeJA）,水杨酸（SA）和非生物胁迫氯化钠,聚乙二醇（PEG 6000）,6℃等胁迫下能不同程度地被诱导表达,且在根和叶中的表达趋势不同。表明JrGSTU23受不同植物激素和非生物胁迫诱导,且具有组织表达特异性,推测其在核桃逆境响应中起到一定作用。     

沙柳PNY基因克隆、生物信息学及组织特异性表达

为了促进沙柳(Salix psammophila)分子定向育种,研究了其分枝及材性发育相关遗传机制。克隆获得了沙柳PNY基因。研究发现:沙柳PNY基因编码区全长1 446 bp,编码481个氨基酸残基。PNY蛋白由55.09%无规卷曲、29.73%α-螺旋及15.18%延伸链构成。保守结构域分析表明,该蛋白分子存在PNY蛋白典型的SKY、BELL、Homeodomain结构域。系统进化分析表明,沙柳与杞柳(Salix purpurea)、毛果杨(Populus trichocarpa)的PNY基因亲缘关系最近。qRT-PCR组织特异性表达分析发现,PNY基因在沙柳腋芽部位表达量最高,茎、叶、顶芽、根中表达量依次降低。